julian david urrea vega
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JUNTAS ADHESIVAS SOMETIDAS A FATIGA EN FLEXIÓN
JULIAN DAVID URREA VEGA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTA D.C
2009
2
JUNTAS ADHESIVAS SOMETIDAS A FATIGA EN FLEXIÓN
JULIAN DAVID URREA VEGA
Proyecto de grado presentado como requisito para obtener el título de Ingeniero Mecánico
Asesor ALEJANDRO MARAÑON
Co-Asesor
JUAN PABLO CASAS
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTA D.C
2009
3
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................... 7
1.1 CONTEXTO ................................................................................................... 7
1.2 REVISIÓN DE LITERATURA ............................................................................. 8
1.3 OBJETIVO GENERAL ................................................................................... 11
1.3.1 Objetivos Específicos ........................................................................ 11
1.4 MARCO TEÓRICO ....................................................................................... 12
1.4.1 Adhesivos y Juntas Adhesivas .......................................................... 12
1.4.2 Fatiga en juntas adhesivas ................................................................ 14
1.4.3 Shearografía ...................................................................................... 21
2. MATERIALES Y MÉTODOS ............................................................................ 28
2.1 MATERIALES .............................................................................................. 28
2.2 PROCESO DE MANUFACTURA ...................................................................... 30
2.3 ENSAYOS MECÁNICOS ................................................................................ 32
2.3.1 Ensayo de Tensión ............................................................................ 32
2.3.2 Ensayo de Fatiga ............................................................................... 33
2.3.3 Shearografía ...................................................................................... 39
2.4 DISEÑO DEL EXPERIMENTO ......................................................................... 40
3. RESULTADOS ................................................................................................ 43
3.1 RESULTADOS PRUEBAS TENSIÓN ................................................................ 43
3.2 RESULTADOS PRUEBAS FATIGA .................................................................. 45
3.3 RESULTADOS SHEAROGRAFÍA ..................................................................... 52
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................... 55
5. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................ 57
6. ANEXOS ......................................................................................................... 59
4
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Tipos comunes de uniones adhesivas [2] ................................................ 12
Figura 2. Distribución de Esfuerzos en una junta adhesiva (SLJ) [18] ..................... 13
Figura 3. Forma sinusoidal de la carga de fatiga de amplitud constante ................. 15
Figura 4. Modelo para intensidad de esfuerzos [11] ................................................ 18
Figura 5. Modelo de propagación de grietas [13] .................................................... 20
Figura 6. Esquema shearografía por grabado fotográfico [5] .................................. 22
Figura 7. Esquema de shearografía digital [5] ......................................................... 23
Figura 8. Esquema del funcionamiento de la doble refracción [6] ........................... 24
Figura 9. Ilustración de la primera derivada del desplazamiento y las líneas de
contorno [7] ............................................................................................................. 24
Figura 10. Líneas de contorno (fringe patterns) ...................................................... 25
Figura 11. Dimensiones de probetas (mm) ............................................................. 28
Figura 12. Imagen de perdigones de PVC (Izq. Amp 10x, Der. Amp 100x) ............. 29
Figura 13. Proceso de manufactura ........................................................................ 31
Figura 14. Prueba de Tensión................................................................................. 32
Figura 15. Tipos de Falla (Der. Interlaminar, Izq. Cohesión) ................................... 33
Figura 16. Deterior de rigidez [4] ............................................................................. 35
Figura 17. Montaje con el torquimetro Omega ........................................................ 36
Figura 18. Montaje torquimetro Burster ................................................................... 36
Figura 19. Carga cíclica (Medida con el Torquimetro Omega) ................................ 37
Figura 20. Carga cíclica torquimetro Burster. a) Sin conectar al motor. b) Conectado
al motor .................................................................................................................. 38
Figura 21. Sujetador de probetas ............................................................................ 39
Figura 22. Montaje Shearografía ............................................................................ 40
Figura 23. Proceso de curado ................................................................................. 41
Figura 24. Deflexión de la probeta .......................................................................... 42
Figura 25. Consecuencia de la deflexión en el torque ............................................. 42
Figura 26. Rugosimetro .......................................................................................... 43
Figura 27. Gráfica resultados prueba de tensión..................................................... 44
Figura 28. Propagación de la grieta hasta falla completa ........................................ 46
Figura 29. Pretensión de 2mm (Probeta 1, rugosidad 4.5µm) ................................. 46
5
Figura 30. Pretensión de 3.5mm (Probeta 2, rugosidad 4.5µm) .............................. 47
Figura 31. Pretensión de 5mm (Probeta 3, rugosidad 4.5µm) ................................. 47
Figura 32. Evaluación del parámetro de daño ......................................................... 48
Figura 33. Pretensión 2mm (Probeta 1, rugosidad 0.5µm) ...................................... 48
Figura 34. Pretensión de 3.5mm (Probeta 2, rugosidad 0.5µm) .............................. 49
Figura 35. Pretensión de 5mm (Probeta 3, rugosidad 0.5µm) ................................. 49
Figura 36. Evaluación del parámetro de daño Rugosidad 0.5µm ............................ 50
Figura 37. Gráfica Δd vs. N ..................................................................................... 51
Figura 38. Pruebas de shearografía........................................................................ 52
Figura 39. Secuencia de resultados de shearografía en vivo (0% de ciclos) ........... 53
Figura 40. Grafica resultados de deformación ........................................................ 54
6
INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Medición perdigones de PVC .................................................................... 29
Tabla 2. Medición de la capa de adhesivo .............................................................. 31
Tabla 3. Resultados pruebas tensión ...................................................................... 44
Tabla 4. Resultados resumidos prueba tensión ...................................................... 44
Tabla 5. Resultados pruebas de fatiga .................................................................... 51
7
1. Introducción
1.1 Contexto
El uso de juntas adhesivas se ha venido incrementando en diferentes campos como
en la industria automotriz y aeronáutica, debido a su buen comportamiento bajo
condiciones de carga. En el caso de la industria aeronáutica, las uniones adhesivas
hacen gran parte del fuselaje, la estructura del ala, y gran parte del interior de la
cabina. En la industria automotriz los adhesivos se utilizan para unir la mayor parte
de la carcasa del automóvil, además se han desarrollado algunos adhesivos
capaces de resistir las altas temperaturas del motor para mantener los empaques en
posición. Las uniones adhesivas son una alternativa para métodos más comunes
como lo son las uniones mecánicas (tornillos, remaches, etc).
Una junta adhesiva se puede definir como la forma por el cual dos o más materiales
pueden ser unidos para generar algún tipo de estructura o montaje por medio de un
adhesivo. El fenómeno que permite que el adhesivo transfiera carga a los
adherentes (materiales que van a ser unidos) se conoce como adhesión. Algunas
ventajas de las uniones adhesivas sobre las uniones mecánicas incluyen la
reducción del número de agujeros necesarios para hacer la unión, la adición de un
peso mínimo a la estructura, la distribución de las cargas en áreas mayores, la
capacidad de unir materiales con diferente composición química, la mejora de la
resistencia a fatiga, la capacidad de unir formas complejas y su función como un
sellador. Sin embargo algunas desventajas de estas uniones, son que no permiten
el desensamble de las piezas a menos que se rompa la unión, el producto tiene
fecha de vencimiento, reaccionan a la humedad, requieren de un tratamiento
superficial en las superficies, y por último existen pocos métodos no destructivos
para poder analizar la junta adhesiva en condiciones de fatiga [1].
Fatiga se considera como un fenómeno de propagación de fractura que ocurre
después de un alto número de ciclos de carga cuando una carga puntual de la
misma magnitud no causa daño. Es común en la mayoría de materiales y se estima
8
que alrededor del 80% de las fallas ingenieriles se pueden atribuir a este fenómeno
[20]. El estudio de fatiga como un problema técnico empezó alrededor de 1850, con
el uso extenso de acero en los ferrocarriles, y posteriormente con el uso de aceros
en barcos y aleaciones de aluminio en aeronaves [10]. Un siglo después, autores
como Peterson (1950) y Timoshenko (1954) publicaron sus estudios sobre el
fenómeno. Peterson comentó sus resultados sobre la propagación de grietas,
introduciendo el concepto del límite de fatiga1. Por otro lado, Timoshenko examinó la
importancia de la distribución de esfuerzos y destacó los concentradores de
esfuerzos alrededor de la punta de la grieta [19].
Por medio de este trabajo se halló la respuesta de las juntas adhesivas sometidas a
ciclos de fatiga en flexión de tres puntos. Se comparó los resultados obtenidos de
fatiga de dos tratamientos superficiales distintos. Posteriormente, mediante el uso
de un shearografo, se halló la distribución de deformación de una probeta a
diferentes etapas de su vida a fatiga. Las pruebas se desarrollaron con probetas
construidas bajo la norma ASTM D1002.
1.2 Revisión de Literatura
El uso de adhesivos o juntas adhesivas ha sido de gran importancia en la industria
aeronáutica y automotriz. Por tal motivo, se han realizado varios estudios con el
ánimo de poder caracterizar mejor su comportamiento y resistencia a la fatiga.
En 1989, Mall realizó un estudio sobre el efecto del espesor del adhesivo en juntas
adhesivas sometidas a cargas cíclicas. Evaluó tres tipos de espesor de la capa
adhesiva (0.102mm, 0.254mm, 0.508mm). Sus resultados fueron analizados con el
cálculo de la tasa crítica de liberación de energía de deformación (GIC, parámetro de
Griffith), en donde encontró que para el mayor espesor existe un incremento del
1 La amplitud del esfuerzo para el cual la vida de fatiga se torna infinita vista desde la asíntota de las curvas S-N (esfuerzo vs. vida en fatiga)[19]
9
50% en el valor de GIC. Adicionalmente, la resistencia a la fatiga mejoró con un
mayor espesor de capa de adhesivo [21].
En 1996, Aglan estudió el efecto del tratamiento superficial sobre el esfuerzo
interlaminar y la vida de fatiga, de juntas adhesivas fabricadas con aluminio 7075-
T6, y el uso del adhesivo estructural AF-163-2K, de 3M. Encontró, que al realizar un
tratamiento superficial en el adherente, aumenta la vida en fatiga de la junta
notablemente [22].
En el año de 1997, Whitworth publicó un artículo en donde investigaba el deterioro
de la rigidez de compuestos (grafito/epóxico) laminares sometido a cargas cíclicas.
Propuso un modelo basado en la relación entre la rigidez de falla y el esfuerzo
aplicado. Para evaluar el modelo realizó pruebas estáticas y en condiciones de
fatiga en las probetas mencionadas. Entre sus conclusiones, comprobó una
reducción de la rigidez en las probetas analizadas, lo que corroboró los resultados
del modelo [15].
En el año 1999, Y.Y Hung, realizó un estudio utilizando el método de Shearografía
como método no destructivo para ensayos en compuestos. Durante su estudio
encontró la distribución de deformaciones en un material compuesto. A pesar de ser
un método que ha tenido una rápida aceptación en la industria de ensayos no
destructivos, todavía se requiere una mayor exploración para mejorar los resultados
obtenidos [17].
Lucas da Silva, publicó una serie de artículos en el año 2008, los cuales tenían
como propósito hacer una recolección de teoría sobre los modelos analíticos para
dos tipos de juntas adhesivas (traslape sencillo y traslape doble) y hacer una
comparación de acuerdo a las simulaciones realizadas de los modelos mencionados
[8].
En el año 2008, Zhang publicó un artículo donde estudiaba el deterioro de rigidez en
juntas adhesivas con configuración de traslape doble (DLJ) y traslape sencillo (SLJ)
manufacturadas de laminas de GFRP y adhesivo epóxico. Encontró una rigidez
10
critica para las juntas de traslape sencillo entre el 10% y el 15% de reducción y entre
un 5% y 7%, para juntas adhesivas de traslape doble. Sus resultados fueron
mostrados en una grafica F-N (carga vs. número de ciclos para falla) [16].
Saavedra, realizó un proyecto de grado en la Universidad de los Andes en el primer
semestre del 2008, en donde se caracterizó el comportamiento del adhesivo DP-
100, manufacturado por 3M, en juntas de aluminio, sometidas a cargas cíclicas y
fatiga por impacto. Con el uso de una caja de micro-deformaciones se logró
caracterizar los ciclos de falla para el material. Posteriormente se hizo un análisis
microscópico en la estructura del adhesivo, observando un cambio en la micro-
estructura del adhesivo después de falla sometido a dos tipos de fatiga [14].
Davies y Sohier en el 2009, realizaron pruebas de tensión, tensión/cortante y
cortante a juntas adhesivas manufacturadas con una capa de adhesivo epóxico a
diferentes espesores. Del estudio observaron, que existe una influencia en el
espesor de la capa adhesiva. Durante los ensayos de tensión/cortante y cortante,
existía una pequeña reducción en las propiedades mecánicas cuando se
incrementaba el espesor de esta capa. En las pruebas de tensión, esta reducción
era más evidente en el esfuerzo de fluencia y la deformación a la cual se produjo la
falla [24].
En el mismo año Pereira y Ferreira, estudiaron el comportamiento a fatiga de
probetas en traslape sencillo, para estudiar el efecto del tratamiento superficial y el
espesor del adherente en juntas adhesivas. El adherente utilizado fue aleación de
aluminio 6082-T6, y un adhesivo epóxico (Araldite 420 A/B). Encontraron que la
rugosidad del tratamiento superficial del adherente afecta la vida en fatiga de las
probetas. Adicionalmente, concluyeron que existe una rugosidad crítica para la cual
el adhesivo tiene el mejor desempeño en condiciones de fatiga [25].
11
1.3 Objetivo General
Determinar experimentalmente las curvas Δd-N (deflexión inicial vs. número ciclos
para fractura) de juntas adhesivas sometidas a cargas cíclicas en flexión.
1.3.1 Objetivos Específicos
· Determinar la influencia de la preparación de la superficie de adhesión en las
curvas Δd-N
· Determinar la evolución en el tiempo del parámetro de daño (rigidez)
· Determinar el campo de deformación de la junta con el uso de shearografía.
12
1.4 Marco Teórico
1.4.1 Adhesivos y Juntas Adhesivas
Debido al avance tecnológico y el estudio de polímeros, se han desarrollado
adhesivos estructurales capaces de proveer buenas propiedades mecánicas a bajo
peso. Además del uso estructural que puede prestar, estos son utilizados debido a
ciertas ventajas que tienen sobre las uniones mecánicas; como evitar que la pieza
sea perforada, y actuar como un sellante.
Un adhesivo estructural se puede definir como un material utilizado para unir otros
materiales como madera, compuestos o metales, para que en la práctica el esfuerzo
de la junta adhesiva sea sustancial, tal que el adhesivo provee la mayor resistencia
y rigidez de la estructura [1].
Existen varios tipos de uniones que han sido estudiadas y utilizadas en la práctica.
Estas uniones intentan mejorar la distribución de cargas en el adhesivo. En la figura
1 se puede observar algunas configuraciones de este tipo de uniones.
Figura 1. Tipos comunes de uniones adhesivas [2]
13
El traslape sencillo (SLJ2) es la unión más común y una de las más utilizadas en
ensayos para evaluar las condiciones mecánicas del adhesivo.
La distribución del esfuerzo cortante (��� ) en una junta adhesiva no es uniforme
(figura 2). Muy poco esfuerzo es soportado en el centro. Esto se debe a que los
bordes de la junta actúan como concentradores de esfuerzo. En consecuencia, el
esfuerzo de una junta adhesiva, depende principalmente del ancho de esta [18].
Este es un fenómeno que no solo gobierna juntas adhesivas, sino también juntas
mecánicas, en donde la mayor parte de la carga es absorbida por los primeros y los
últimos tonillos o remaches [18].
Figura 2. Distribución de Esfuerzos en una junta adhesiva (SLJ) [18]
2 Por sus siglas en inglés, Single Lap Joint
14
1.4.2 Fatiga en juntas adhesivas
El análisis de fatiga en juntas adhesivas se basa en técnicas desarrolladas para
otros materiales, principalmente para metales. Los mecanismos de falla por fatiga
en polímeros difieren de aquellos presentados para metales, debido a que los
materiales utilizados reaccionan de forma diferente al ser sometidos a cargas
cíclicas. Sin embargo, las juntas adhesivas tienen buena resistencia a la fatiga
comparada con métodos alternativos de unión como tornillos, remaches o
soldadura. Esto se puede atribuir a la reducción en concentradores de esfuerzos, los
cuales son perjudiciales para la resistencia a la fatiga en metales. En juntas
adhesivas, la falla por fatiga se puede presentar como falla en el adhesivo (falla por
cohesión), el cual consiste en que la falla ocurre dentro de la capa de adhesivo, y
falla entre las uniones del adhesivo y el adherente (falla interlaminar), donde existe
un desprendimiento de la capa adhesiva del adherente [26].
La falla puede existir después de millones de ciclos, con cargas menores a aquellas
que causan una deformación plástica, este tipo de fatiga se conoce como de alto
ciclo (HCF3). La falla puede ser progresiva. En dado caso el daño puede ser
monitoreado y las partes pueden ser reemplazadas antes que alcance una longitud
de grieta crítica. La falla también puede ocurrir de forma muy rápida después de un
largo periodo de tiempo en donde no hay rastros de daño, este tipo de falla se
conoce como “muerte súbita” [9]. Por otro lado, si las cargas aplicadas son
suficientemente altas para causar una deformación plástica, la resistencia a la fatiga
es considerablemente corta y se le denomina fatiga de bajo ciclo (LCF4).
Es muy común separar la resistencia a la fatiga de una estructura en dos fases:
nucleación y propagación. En juntas adhesivas esta diferencia entre ambas fases es
difícil, debido a que la fase inicial en adhesivos es compleja y puede variar con el
material, la geometría y el ambiente. La falla por fatiga en un adhesivo puede
involucrar varios mecanismos como lo son: micro grietas en la matriz, falla en los
adherentes ó en la región del traslape entre adherentes y adhesivo.
3 Por sus siglas en inglés, High Cycle Fatigue. 4 Por sus siglas en inglés, Low Cycle Fatigue.
15
A pesar que el espectro de fatiga es muy complejo para estructuras, algunas veces
para ensayos en laboratorios es conveniente considerar las cargas de fatiga como
forma sinusoidal de amplitud constante (ver figura 3). Mantener una carga constante
a una frecuencia constante (repeticiones en un determinado tiempo) es un método
aproximado para estudiar las consecuencias de fatiga en juntas adhesivas [9].
Figura 3. Forma sinusoidal de la carga de fatiga de amplitud constante
Algunos parámetros utilizados para describir el espectro de fatiga para una forma
sinusoidal son los siguientes:
Rango de Esfuerzos:
∆! = !"#� − !"%&
Ecuación 1. Rango de Esfuerzos [10]
16
Relación de Esfuerzos:
' = !"%&!"#�
Ecuación 2. Relación de Esfuerzos [10]
Esfuerzo Medio:
()*+,- =()./ + (),0
1
Ecuación 3. Esfuerzo Medio [10]
Frecuencia:
2 =1
3%3456 (6)78
Ecuación 4. Frecuencia [10]
Existen tres criterios que son utilizados para determinar las propiedades de fatiga de
un material [10].
1. Vida – Esfuerzo (S – N)
2. Vida – Deformación unitaria (ε – N)
3. Propagación de grietas, Ley de Paris (da/dN)
Los criterios de Vida-Esfuerzo y Vida-Deformación unitaria están asociados con un
diseño de vida segura, el cual se enfoca en diseñar el componente para un tiempo
de servicio fijo, después de este tiempo de servicio la pieza debe ser reemplazada.
El criterio de Vida-Esfuerzo está asociado con HCF, y es un método de evaluación
de fatiga en adhesivos. Por el contrario el criterio de Vida-Deformación está
asociado con LCF, y considera los efectos de las deformaciones plásticas
localizadas. Este último método es más difícil de implementar a juntas adhesivas,
debido a que las juntas adhesivas tienden a utilizarse en HCF, por lo tanto no ha
tenido mucha aplicación en esta área [9]. El criterio de propagación de grietas, es
estudiado cuando existe una macro-grieta que crece a una tasa que puede ser
17
conocida bajo métodos numéricos. Este método permite diseños menos
conservativos los cuales son comúnmente utilizados en la industria aeronáutica.
· Método Vida – Esfuerzo
De los criterios anteriormente mencionados, este es el más antiguo. Consiste en
aplicar una carga cíclica con esfuerzo o amplitud de carga constante a la muestra.
En la mayoría de los casos este tipo de carga cíclica es una forma sinusoidal a
frecuencia constante (ver figura 3). Los resultados de estas pruebas son trazados en
una gráfica de esfuerzo contra número de ciclos hasta fractura, conocida como
curvas S-N. Este método debe ser aplicado con cuidado, debido a que no es una
clara indicación de la progresión del daño, por lo tanto su uso en la predicción del
comportamiento de la junta bajo condiciones de fatiga es poca [9].
Una limitante en las curvas S-N, es la dificultad para diferenciar la fase de
nucleación de la fase de propagación en juntas adhesivas [9], debido a la formación
de micro-grietas internas en el adhesivo, las cuales solo pueden ser detectadas bajo
un microscopio. Es por esta razón que se han utilizado métodos como
interferometría, radiografía y ultrasonido, para poder determinar la evolución de las
grietas en juntas adhesivas. Los resultados de estas pruebas han sido muy variados
debido a que la distinción de las fases (nucleación y propagación) depende de
muchos factores, tales como: materiales, geometría, ambiente de la prueba y rango
de carga.
La resistencia a la fatiga no solo depende de la amplitud de la carga, sino también
de la carga media. Al incrementar la carga media o al incrementar la amplitud, existe
un cambio en la carga de fatiga, que tiene como resultado una disminución en el
número de ciclos necesarios para fractura [9].
Un método alternativo para esta aproximación, es caracterizar el daño ocasionado
por fatiga como una función en la reducción de esfuerzo o rigidez. La reducción del
esfuerzo caracteriza la deterioro de los esfuerzos residuales de la junta.
18
· Método de propagación de grietas
Para este método, la tasa de crecimiento de grieta (da/dN) está relacionado con
parámetros de la teoría de mecánica a la fractura. Esta aproximación se enfoca más
en la fase de propagación, por consiguiente se debe asumir que hay una iniciación
de grieta durante las primeras etapas del ciclo ó que hay una grieta pre existente. La
tasa de propagación de la grieta (da/dN) está relacionada con un parámetro de
mecánica a la fractura conocido como el factor de intensidad de esfuerzos (K) de
Irwin (1958) o el parámetro de Griffith (1921) conocido como la tasa de liberación de
energía (G). El factor de intensidad de esfuerzos es un parámetro que se considera
como una caracterización y medición del campo de esfuerzos en la punta de la
grieta. Para la obtención de este parámetro se debe realizar un modelo de grieta
centrada, semi-infinita de longitud 2a, sometido a un esfuerzo uniforme !, tal cual
como se aprecia en la figura 4.
Figura 4. Modelo para intensidad de esfuerzos [11]
Del anterior modelo se obtiene a siguiente relación:
9: = ! ∗ <√>#
Ecuación 5. Intensidad de Esfuerzos [11]
19
Donde < es un factor de forma, determinado por la geometría de la pieza, # es la
longitud de la grieta y ! el esfuerzo aplicado. Paris et. al. (1961) propuso que la tasa
de propagación de grieta ?#/?@, era una función del rango del factor de intensidad
de esfuerzo, (∆9 = 9"#� −9"%& ):
?#?@
= A∆9"
Ecuación 6. Ecuación de Paris [11]
Donde A y " son constantes empíricas dependientes de factores como: material,
frecuencia de fatiga, la relación de esfuerzos ' y del entorno. A pesar que 9 es el
parámetro más utilizado en el análisis de mecánica a la fractura para metales, es
difícil aplicarlo a juntas adhesivas, debido a la complejidad de caracterizar la
distribución de esfuerzos alrededor de la punta de la grieta [10]. Por lo tanto, se
utiliza el parámetro de Griffith, el cual propone que si existe una grieta en el cuerpo,
esta crece siempre y cuando la energía liberada por el cuerpo sea equivalente o
mayor a la energía necesaria para crear nuevas superficies de la grieta (energía
requerida para propagar la grieta). Griffith aplicó esta teoría para el análisis de una
grieta central de longitud 2a (ver figura 4). En 1957 Irwin estableció una simple
relación de entre la rapidez de energía liberada (G) y el factor de intensidad de
esfuerzos (K) [10].
92 = BC
Ecuación 7. Relación de K y G [20]
En donde C es el modulo de Young. Tanto G y K son considerados como los
parámetros importantes para la propagación de grietas. En pruebas con adhesivos
y compuestos, la energía máxima de deformación (Gmax) es usualmente utilizada en
reemplazo de la tasa de amplitud de la energía de deformación (ΔG = Gmax – Gmin),
esto se debe a que en materiales poliméricos los valores de Gmin pueden variar a
causa de la interferencias (fricción) entre fases (adherente y adhesivo). Aun así,
20
usualmente la ecuación de Paris se utiliza la tasa de amplitud de energía de
deformación (ΔG) como parámetro representativo de mecánica a la fractura [10].
?#?@
= A(∆B)"
Ecuación 8. Ecuación de Paris (usando parámetro de Griffith) [10]
Figura 5. Modelo de propagación de grietas [13]
En la figura 5 se puede apreciar el modelo de propagación de grieta que se
encuentra divido en 3 fases. La primera se denomina Umbral. Durante esta fase se
puede afirmar que en el material las grietas no crecerán bajo la carga aplicada. La
segunda fase es denominada Crecimiento, en donde existe una propagación de
grieta la cual está definida por la ecuación de Paris (da/dN). Por último encontramos
la fase 3, conocida como Fractura Rápida, en donde existe un crecimiento de grieta
incontrolable. La falla del material durante esta fase es inminente, y lo que denomina
Ashcroft, como “muerte súbita”.
21
1.4.3 Shearografía
La Shearografía es una técnica óptica basada en los principios de la interferometría,
que permite la medición de la primera derivada del desplazamiento fuera del plano.
Los métodos ópticos existentes actualmente (Shearografía, termografía, holografía,
etc.) tienen la virtud de hacer mediciones de campo completo, sin tener contacto con
la superficie, además de no contaminar la superficie en medición. La shearografía
ha tenido gran acogida en la industria aeroespacial como método no destructivo
para evaluar compuestos.
Actualmente existen tres tipos de shearografía que son: 1) grabado fotográfico, 2)
grabado termoplástico, y 3) grabado digital [5]. El grabado fotográfico utiliza una
cámara de alta resolución como medio de grabación. Este consiste en un prisma
con una pequeña cuña en ángulo, que está ubicado frente al lente de la cámara (ver
figura 6). Este prisma produce un par de imágenes del objeto, en el plato fotográfico,
corridas ligeramente entre sí. A medida que el objeto es iluminado con luz laser, las
dos imágenes creadas interfieren una con la otra, produciendo un patrón conocido
como patrón de speckles5. Cuando el objeto es deformado (ya sea por métodos
mecánicos o térmicos) se modifica el patrón de speckles. Ambos patrones son
grabados y mediante la superposición de estos (antes y después de una ligera
deformación), se crean patrones de líneas visibles representando la derivada del
desplazamiento. Si se desea una aplicación en tiempo real, es necesario grabar los
patrones de speckles en un plato fotográfico antes de la deformación. Una vez este
plato fotográfico haya sido procesado, es devuelto a su posición inicial en la cámara,
donde funciona como un filtro para la imagen en vivo del objeto. Una vez el objeto
haya sido deformado, las líneas de contorno van cambiando. Este proceso permite
ver un patrón de franjas en tiempo real representando las derivadas del
desplazamiento. Un inconveniente es el costo de las cámaras fotográficas de alta
resolución. Su costo es tan alto que ha sido muy difícil implementar el proceso
industrialmente [5].
5 Sin traducción al español
22
Figura 6. Esquema shearografía por grabado fotográfico [5]
El grabado termoplástico utiliza un montaje muy parecido al que encontramos en
grabado fotográfico, la diferencia radica en el plato fotográfico el cual es
reemplazado por un plato termoplástico reutilizable, que puede ser procesado
inmediatamente después del grabado. Se requiere un filtrado por Fourier, lo cual
implica que no se pueden hacer mediciones en tiempo real. La producción de platos
termoplásticos de buena calidad es un proceso complicado, razón por la cual este
proceso no es implementado a gran escala en la industria.
Por último, el método de grabado digital utiliza sensores de video tal como una
cámara CCD (cámara con dispositivos de cargas “eléctricas” interconectadas) como
medio de grabación y procesamiento para la adquisición de datos y su respectivo
análisis. Este método no depende de un filtrado por Fourier para la reconstrucción
de las líneas de contorno (fringe pattern).
El montaje para shearografía digital se puede ver en la figura 7. El objeto que va ser
analizado es iluminado con luz laser, la cual mantiene una intensidad de luz
constante (desprendimiento de fotones a tasa controlada). El dispositivo de
refracción doble, divide un punto del objeto en dos al plano de imagen (como se
observa en la figura 8). Por consiguiente, un par de imágenes desplazadas entre sí,
son captadas por el sensor de imagen. Este par de imágenes están desplazadas en
cortante lateralmente (shear), por ende la técnica se conoce con el nombre de
shearografía. Estas imágenes son luego captadas por la cámara CCD y transferidas
23
a las placas de captura de imagen (frame grabber) en el computador. Este proceso
crea un patrón de speckels inicial. Una vez el objeto sea deformado, se crean otros
patrones de speckles, que son transferidos a la memoria del computador y son
restados a los patrones capturados inicialmente. El resultado de este interferograma
se presenta en el monitor como un patrón de franjas claras y oscuras (figura 10),
que se conoce como las líneas de contorno (fringe pattern). Este proceso se hace
en tiempo real, y muestra el cambio de las líneas de contorno en el monitor [6].
Figura 7. Esquema de shearografía digital [5]
24
Figura 8. Esquema del funcionamiento de la doble refracción [6]
La cámara de video capta el haz de luz proveniente de dos puntos vecinos D2(�,�) y
D1(� + E�,�) que se encuentran en el mismo plano de imagen (ver figura 7). Donde
E� es el desplazamiento (shear) paralelo al eje �. El sumar todos los puntos pares
de la imagen tiene como resultado un par de imágenes lateralmente desplazadas en
la dirección del eje �. Las líneas de contorno obtenidas (fringe pattern) representan
la derivada del desplazamiento con respecto a este eje [7].
Figura 9. Ilustración de la primera derivada del desplazamiento y las líneas de contorno [7]
25
En la figura 10 se puede observar el patrón de franjas (fringe pattern) de una placa
luego de ser sometido a una pequeña deformación.
Figura 10. Líneas de contorno (fringe patterns)
[Tomada en la Universidad de Los Andes, Laboratorio de Integridad Estructural, 2009]
La shearografía depende de los mapas grabados de intensidades después de que la
superficie sea deformada. El desplazamiento relativo entre los dos puntos contiguos
induce un cambio en el ángulo de fase, el cual modifica ligeramente la interferencia
de los patrones de speckles. Los patrones de speckles pueden ser representados
como:
� = �0(1 + cos(∅)) Ecuación 9. Patrones de speckles [5]
Donde �0 es la intensidad asociada con la interferencia del objeto y el haz de
referencia, ∅ es un ángulo de fase aleatorio, debido a que la superficie del objeto a
analizar es ópticamente rugosa. Una vez el objeto haya sido deformado, hay un
cambio en la trayectoria de la luz, este cambio induce un cambio en el ángulo de
fase entre el haz de luz del objeto y el de la referencia. En consecuencia, la
intensidad en la distribución del patrón de speckles se ve representada como:
!′ = !#($ + %&'(∅ + ∆)) Ecuación 10. Intensidad de distribución de speckles [5]
26
Donde �’ es la intensidad de la distribución después de ser deformada, y ∆ es el
cambio en el ángulo de fase debido a esa deformación.
Para la formación de las líneas de contorno (fringe pattern) de los dos patrones de
speckles (antes y después de la deformación), se debe restar � de �’. Esta diferencia
se presenta a continuación:
�+ = �0(cos(∅ + ∆) − cos(∅)) Ecuación 11. Líneas de contorno [5]
Debido a que solo valores positivos son presentados en el monitor, se utiliza el valor
absoluto de �+, por lo tanto se tiene que:
�+ = 2�0 -sin -∅ +∆2. sin -∆
2..
Ecuación 12. Líneas de contorno [5]
La anterior ecuación representa la formación de las líneas de contorno en donde las
franjas oscuras corresponden a:
sin -∆2. = 0
Ecuación 13. Franjas Oscuras [5]
El método convencional de análisis de las líneas de contorno, es identificar el orden
de la franja en donde:
∆= 2/0
Ecuación 14. Orden de franja [5]
Donde ±/ = 0,1,2,… son ordenes de franjas.
En shearografía ∆ está relacionado con la primera derivada del desplazamiento, por
lo tanto:
27
∆=201 2(1 + cos∅) 3435 + sin∅3635735
Ecuación 15. Primera derivada del desplazamiento [5]
Donde 1 es la longitud de onda de la fuente de luz, 3435 (ver figura 9) y 3635 son las
derivadas parciales de primer orden del esquema fuera del plano, y 35 es la
cantidad de desplazamiento entre los puntos vecinos 81 y 82 .
28
2. Materiales y Métodos
2.1 Materiales
Para la realización del proyecto se dispuso de los siguientes materiales:
· Probetas de Acrílico (Dimensiones 100mm x 25.4mm x 5mm)
· Adhesivo Epóxico DP-100 Fabricado por 3M
· Boquillas EPX Fabricadas por 3M
· Alcohol Isopropílico
· Lija
· Compuesto PVC
La utilización de probetas de acrílico, se debe a que es posible observar el
crecimiento y propagación de la de grieta (figura 15).
A continuación se presentan los planos de las probetas fabricadas (figura 11), según
la norma ASTM D1002-05, para juntas adhesivas.
Figura 11. Dimensiones de probetas (mm)
29
Para asegurar una capa uniforme de adhesivo, se introdujo en el traslape pequeños
perdigones de PVC (figura 12). Estos perdigones fueron medidos en un microscopio
a una amplificación de 100 veces. Se hicieron 40 mediciones para obtener una
distribución del diámetro. Los resultados obtenidos se encuentran en la tabla 1:
Tabla 1. Medición perdigones de PVC
Media 0.21 mm
Desviación 0.04 mm
Figura 12. Imagen de perdigones de PVC (Izq. Amp 10x, Der. Amp 100x)
En la figura 12 se pueden observar los perdigones utilizados, estos tienes una forma
casi circular el cual va a permitir tener una capa uniforme de adhesivo equivalente a
el diámetro de los perdigones (0.2mm). El espesor de la capa de adhesivo es
importante que se mantenga durante los ensayos debido a los efectos ocasionados
por esta en pruebas de fatiga [21], el espesor de 0.2mm es una capa común de
adhesivo especialmente cuando se van a realizar pruebas con cargas cíclicas
[21,23].
30
2.2 Proceso de Manufactura
Para la fabricación de las probetas, se siguieron los pasos descritos en la ficha
técnica del adhesivo (ver anexo), para plásticos y cauchos. Inicialmente es
necesario hacer una limpieza a la superficie que va hacer adherida. Según la ficha
técnica, es recomendable limpiar las superficies con alcohol isopropílico, seguido de
un tratado superficial con un abrasivo muy suave (para este se utilizó lija 100 y lija
1200). Finalmente, se debe volver a limpiar la superficie con alcohol isopropílico y
secar con aire a presión la superficie para remover cualquier impureza que evite una
buena adhesión de la junta.
Una vez se haya realizado el anterior procedimiento, se marca cuidadosamente la
longitud del traslape (12.5mm), y se utilizan los perdigones de PVC (ver figura 12).
Como el adhesivo epóxico utilizado es un cartucho Duo-pack (epóxico y
catalizador), es necesario el uso de un aplicador especial así como la utilización de
una boquilla mezcladora para asegurar la mezcla 1:1 de los componentes (figura
13). Se debe aplicar adhesivo en ambas superficies.
El adhesivo DP-100, es un adhesivo estructural el cual tiene un tiempo de manejo
de aproximadamente de 5 minutos (para mayor información técnica del adhesivo ver
anexo). Durante este tiempo es necesario mantener las superficies bajo presión
para garantizar un buen desempeño de la junta. Una vez se haya cumplido el
tiempo de manejo, se mide la unión con un micrómetro (es necesaria una medición
antes que se aplique el adhesivo) para verificar que la capa de adhesivo este dentro
del rango del diámetro de los perdigones de PVC. Algunos resultados de la capa de
adhesivo se presentan en la tabla 2.
31
Figura 13. Proceso de manufactura
Tabla 2. Medición de la capa de adhesivo
Sin adhesivo Con adhesivo Capa Adhesiva
(mm) (mm) (mm)
8.75 8.94 0.19
8.66 8.85 0.19
9.92 10.12 0.2
8.9 9.14 0.24
9.1 9.3 0.2
9.45 9.67 0.22
8.91 9.15 0.24
9.82 10 0.18
Una vez se haya realizado la junta adhesiva, este requiere de un tiempo de
exposición abierta de 48 horas a 23 0C. Este es el tiempo necesario estipulado por
el fabricante como el tiempo de cura del adhesivo DP-100. Adicionalmente se le
practica un post-cura a 51 ⁰C por 1.5 horas.
32
2.3 Ensayos Mecánicos
2.3.1 Ensayo de Tensión
Los ensayos de tensión fueron realizados en el laboratorio de Propiedades
Mecánicas de la Universidad de los Andes bajo condiciones de temperatura y
humedad controladas, (temperatura de 23 0C y humedad relativa del 50%), con la
máquina para Ensayos Universales INSTRON 3357, regido bajo la norma ASTM
D1002-05 para juntas adhesivas bajo cargas de tensión.
Figura 14. Prueba de Tensión
Parámetros de La prueba de tensión:
- Distancia entre mordazas: 140 mm
- Velocidad: 1.3 mm/min
33
Para la prueba de tensión se hicieron dos ensayos, con lija 100 y lija 1200. Esto se
hizo debido a que los primero ensayos con lija 1200 presentaron solo falla
interlaminar. Por lo tanto, se hizo una superficie más rugosa para asegurar una
mejor adhesión de la junta. En la figura 15 se puede apreciar ambos tipos de falla.
Figura 15. Tipos de Falla (Der. Interlaminar, Izq. Cohesión)
2.3.2 Ensayo de Fatiga
Los ensayos de fatiga fueron realizados en la máquina de pruebas de fatiga a
flexión en tres puntos, manufacturada por Andrés Galvis estudiante de pregrado de
la Universidad de los Andes, como un proyecto de grado en el año 2008.
Este tipo de prueba consiste en someter las probetas a una carga cíclica de
amplitud constante para determinar el número de ciclos necesarios hasta presentar
falla completa en el adhesivo. Estos ciclos se pueden determinar estableciendo una
frecuencia conocida, esta frecuencia nos dice el número de ciclos por minuto (RPM)
y de esta forma se puede determinar el número de ciclos necesarios hasta presentar
falla. La carga aplicada a las probetas es captada por un torquimetro Omega
TQ501-200, que tiene un rango de 0 a 20 Nm (figura 17), este envía los datos a una
tarjeta de adquisición National Instruments (capacidad de adquisición de 10 puntos
por segundo). Adicionalmente, la compra de un nuevo torquimetro marca Burster
34
modelo 8645 (figura 18), tiene un rango de medición de 0 a 2.5Nm, con una
interfase DigiVision (capacidad de medición de 200 puntos por segundo), eliminó el
uso de la tarjeta de adquisición, y se utilizó para la recolección de datos. Esta
recolección de datos permite la construcción de la gráfica Δd-N (deflexión inicial -
número de ciclos para fractura). Posteriormente los datos son requeridos para
poder determinar las curvas de deterioro de rigidez (k) de la junta. La rigidez de la
junta se obtiene en términos del torque debido a que:
9 = :.;
Ecuación 16. Relación Torque y Fuerza
Donde d es constante debido a que siempre se utiliza la misma leva en todas las
experimentaciones, F es igual a la fuerza (N), y T es el torque generado en por el
motor (Nm). Por otro lado, tenemos que la rigidez es:
< =:3
Ecuación 17. Rigidez
Donde k es la rigidez y δ es el desplazamiento generado por la fuerza, que es
constante durante las pruebas de fatiga (0.5mm). Por lo tanto, al ser d y δ
constantes, el cambio de fuerza es proporcional al cambio de torque. De esta
manera el deterioro de rigidez queda definido como:
<<0=990
Ecuación 18. Deterioro de rigidez
Durante las pruebas de fatiga es común ver un deterioro de la rigidez a través del
tiempo (figura 6) [4,23]. Este deterioro se debe el daño ocasionado por las cargas
cíclicas que generan la propagación de micro-grietas o macro-grietas a través de la
junta.
35
Figura 16. Deterior de rigidez [4]
Mediante la utilización de la regla Pålmgren-Miner6 (también conocida como el daño
acumulativo lineal7), propuesta por Pålmgren (1923) y desarrollado por Miner [1945],
en donde menciona que el daño ocasionado por fatiga es una consecuencia de la
energía absorbida por el material el cual se asume que es proporcional al número
de ciclos [20], se relaciona el parámetro de daño de ambos tipos de rugosidades
superficiales (figura 16).
=/> = 1
Ecuación 19. Daño acumulativo lineal
La falla ocurre cuando se ha consumido un 100% la vida en fatiga (ecuación 19). De
esta forma es posible comparar los parámetros de daño de las pruebas, para
6 Por su nombre en inglés 7 Linear cumulative damage rule
36
determinar si el cambio de rugosidad superficial tiene una influencia en el número de
ciclos hasta la fractura soportados por la junta adhesiva.
Figura 17. Montaje con el torquimetro Omega
Figura 18. Montaje torquimetro Burster
La carga cíclica, se ve representada en la figura 19, medida con el sensor de Torque
Omega, como se puede observar es una carga poco uniforme. La misma prueba se
realizó con el torquimetro Burster, antes y después de ser conectado al motor (figura
20), al hacer el montaje se encontró que el eje del motor estaba torcido, razón por la
cual se procedió a intentar enderezar el eje. Los resultados se puede apreciar en las
figuras 20a) y 20b).
Torquimetro
37
Figura 19. Carga cíclica (Medida con el Torquimetro Omega)
Como se mencionó anteriormente bajo condiciones de laboratorio es mejor
mantener un tipo de carga de forma sinusoidal. Las mediciones obtenidas con el
torquimetro Omega, no son condiciones de carga sinusoidal. Este tipo de
condiciones de carga posiblemente pueda generar variaciones al momento de tomar
los resultados debido a que las cargas aplicadas pueden ser mayores o menores de
lo esperado. Por lo tanto, se enderezó el eje del motor y se hicieron pruebas antes y
después de conectar el eje, para verificar la normalización de la carga.
Para la construcción de las graficas del daño acumulativo lineal, es importante
utilizar el torque máximo debido a que es cuando la probeta se encuentra en el
estado de máxima deflexión (0.5mm) proporcionada por la leva.
38
a)
b)
Figura 20. Carga cíclica torquimetro Burster. a) Sin conectar al motor. b) Conectado al motor
En la figura 20 a), se observa una forma sinusoidal, cuando el sistema no está
conectado al motor. Al tratar de corregir la desviación del eje del motor, se obtuvo la
función de la figura 20 b). A pesar que no se pudo corregir totalmente la desviación,
se mejoró bastante y comparado con los resultados obtenidos anteriormente, se
puede observar una forma sinusoidal. Al ser la carga cíclica, esta es fácilmente
filtrable, lo que conlleva a una menor perdida de información, que la carga a fatiga
presentada por la figura 19. Para corregir aún más esta variación en la carga, se
requiere conseguir acoples flexibles, mecanizar el eje del motor, o comprar un
nuevo motor.
39
2.3.3 Shearografía
El ensayo de Shearografía, se realizó en el laboratorio de Integridad Estructural de
la Universidad de los Andes, el cual cuenta con un shearografo que emite una luz
laser clase 3 con una longitud de onda de 658 nm, con un campo de iluminación de
aproximadamente de 10 x 10 cm. Para realizar el montaje en el shearografo se
utilizó un sujetador para las probetas el cual se observa en la figura 21.
Figura 21. Sujetador de probetas
Debido a que las probetas están fabricadas en acrílico y el adhesivo es
transparente, se pintaron estas con un spray blanco mate para poder hacer las
pruebas de shearografía. El montaje de la prueba se puede ver en la figura 22. Para
la toma de datos la probeta sufre una pequeña deformación proporcionado por un
tornillo.
El shearografo que se utilizó para la toma de datos es marca LIMESS con una
resolución de 1392 x 1040 pixeles y una sensibilidad de 4µm. (Ver anexo para
mayor información).
Probeta
40
Figura 22. Montaje Shearografía
El propósito del ensayo es poder ver el campo de deformación del traslape cuando
este es sometido a un pequeño desplazamiento.
2.4 Diseño del Experimento
El proceso de manufactura es de vital importancia para un buen desempeño de la
junta adhesiva. Para las pruebas se utilizó una junta de traslape sencillo (SLJ). Las
pruebas de fatiga se realizaron a una velocidad angular constante de 300 RPM (5
Hz), debido a pruebas realizadas en anteriores artículos o trabajos en donde
investigan el comportamiento de juntas adhesivas bajo cargas cíclicas [4,23].
Inicialmente se hace la elaboración de probetas mediante el método descrito por el
fabricante (ver anexo) utilizando dos abrasivos distintos (lija 100 y lija 1200).
Después del proceso de fabricación las probetas son curadas a una temperatura de
51 0C por 1.5 horas.
41
Figura 23. Proceso de curado
Un lote de cinco probetas es llevado a la máquina de tensión para comparar los
resultados de ambos tipos de manufactura, con el fin de analizar los resultados del
tratamiento superficial a la carga en tensión soportada.
Posteriormente, las probetas son montadas en la máquina de fatiga. Es necesario
hacer una deflexión inicial debido a que el desplazamiento vertical que proporciona
la leva es muy pequeño (0.5 mm). Esta deflexión varia de 2 a 5 mm (figura 24) y se
refleja en el torque medido por el sensor (figura 25) desplazando la onda sinusoidal
hacia arriba (mayor torque).
A continuación, se realizan las pruebas para 3 probetas fabricadas con lija 100 y 3
probetas fabricadas con lija 1200, esto con el fin de tener una medición del número
de ciclos soportados por la probeta. El torquimetro es utilizado para recolectar la
información de la fuerza aplicada y el cambio de esta a través del tiempo, la cual se
define como el parámetro de daño. De esta forma se obtiene una gráfica para cada
probeta en donde se relaciona esta carga con el número de ciclos soportados hasta
falla. Una vez obtenida la gráfica de carga (parámetro de daño) vs. ciclos para
fractura, para cada tratamiento superficial se construye la gráfica de Δd (pretensión
inicial) vs. ciclos para fractura, con el fin de hallar una relación entre el tratamiento
superficial y la deflexión inicial. Una vez obtenida esta gráfica, se analiza las
42
diferentes etapas de vida a fatiga de las probetas (0%, 40%, 60% y 80% de ciclos
hasta falla) en el shearografo. Se debe utilizar la misma probeta para las diferentes
etapas. Estas probetas que serán sometidas a los diferentes ciclos son llevadas al
shearografo en donde se realizaron las pruebas para observar la evolución de grieta
que se presente en el adhesivo. De esta forma se puede comprobar el uso de
shearografía como método no destructivo para caracterizar la evolución de la falla y
el campo de deformación en una junta adhesiva.
Figura 24. Deflexión de la probeta
Figura 25. Consecuencia de la deflexión en el torque
2mm
43
3. Resultados
3.1 Resultados Pruebas Tensión
Inicialmente es importante verificar la rugosidad proporcionada por ambas lijas
utilizadas. Esto se hizo con un rugosimetro (figura 26). Para lija 100 el promedio de
rugosidad fue de 4.5 µm ± 0.2 µm, y para lija 1200 el promedio de la rugosidad fue
de 0.5 µm ± 0.3 µm.
Figura 26. Rugosimetro
Se hicieron lotes de 5 probetas para cada rugosidad, posteriormente se analizaron
los datos obtenidos en la prueba de tensión, en donde se comparó la rugosidad de
la superficie con la carga soportada. Estos resultados se encuentran resumidos en
la tabla 4 y en la figura 27.
44
Tabla 3. Resultados pruebas tensión
Lija 1200
Lija 100
Carga Máxima
Carga Máxima
(N)
(N)
Probeta 1 1060.3
Probeta 1 1016.1 Probeta 2 476.2
Probeta 2 1298.6
Probeta 3 1136.2
Probeta 3 1308.1 Probeta 4 899.3
Probeta 4 1199.8
Probeta 5 770.2
Probeta 5 1177.3 Media 868
Media 1200
Desviación 261
Desviación 118
Tabla 4. Resultados resumidos prueba tensión
Rugosidad Carga Media Carga Desviación
(micrómetros) (N) (N)
0.5 868 261
4.5 1200 118
Figura 27. Gráfica resultados prueba de tensión
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0.5 4.5
Carg
a (N
)
Rugosidad (µm)
Carga vs. Rugosidad
Carga Media
45
De los resultados obtenidos en la prueba de tensión, se puede decir que la
rugosidad de la superficie es un factor importante en la resistencia del adhesivo.
Una mayor rugosidad permite mayor área de contacto entre el adherente y el
adhesivo. Esto se puede ver en la figura 27 en donde una rugosidad aproximada de
4.5 µm, tiene una mayor resistencia a tensión y una menor variación en sus
resultados. Además, se determinó que las probetas manufacturadas con lija 100,
generalmente presentaron falla por cohesión, en cambio, aquellas manufacturadas
con menor rugosidad superficial presentaron falla interlaminar (ver figura 15).
Otro aspecto importante de la prueba de tensión, es la iniciación de la grieta en las
probetas. La iniciación y propagación de la grieta en las probetas de mayor
rugosidad fue más notoria. Esta iniciación y propagación no se pudo observar en las
probetas que fueron tratadas con lija 1200, debido a que estas presentaron falla
repentina. Adicionalmente, 4 de las 5 probetas con superficie más rugosa,
presentaron falla en el adherente (figura 15, Izq.), lo cual comprueba un mejor
desempeño del tratamiento superficial.
3.2 Resultados Pruebas Fatiga
Las pruebas de fatiga se realizaron inicialmente, con un torquimetro Omega, que
tiene un rango de medición de 0 a 20 Nm, en donde fue necesario hacer una
calibración inicial del torquimetro. Fue necesaria la utilización de una tarjeta de
adquisición de National Instruments, para recolectar y almacenar los datos
obtenidos con el torquimetro para la construcción de las gráficas de carga vs ciclos
para fractura. Posteriormente se utilizó el torquimetro Burster que tiene un rango de
medición más bajo (0 a 2.5 Nm).
Durante el ensayo, se pudo observar que las probetas presentaron un
comportamiento similar al de los ensayos de tensión, en donde las probetas que
tenían una menor rugosidad fallaron de forma repentina (“muerte súbita”), mientras
46
que aquellas que tenían una mayor rugosidad presentaron una macro-grieta que
tuvo una propagación hasta presentar falla (figura 28).
Figura 28. Propagación de la grieta hasta falla completa
Los resultados de las pruebas de fatiga para una rugosidad de 4.5µm (o
manufacturadas con lija 100) se ven representadas en las figuras 29 – 31. La escala
del eje x para estas figuras esta en 700000 ciclos, esto para efectos de comparación
sobre la influencia del cambio en deflexión.
Figura 29. Pretensión de 2mm (Probeta 1, rugosidad 4.5µm)
En la figura 29, se puede ver una disminución en lo que se conoce como la rigidez,
de la probeta, es decir que a medida que el número de ciclos va aumentando la
carga necesaria para generar una grieta es menor.
47
Figura 30. Pretensión de 3.5mm (Probeta 2, rugosidad 4.5µm)
Figura 31. Pretensión de 5mm (Probeta 3, rugosidad 4.5µm)
Por lo que se puede apreciar en las figuras 29 a 31, todas muestran una pequeña
disminución en el torque, esta disminución de puede evaluar después de normalizar
los tres resultados. En la 32 se puede observar el deterioro de la rigidez de la
probeta medido con el torquimetro, se utiliza el torque máximo debido a que es el
punto cuando la probeta tiene el mayor desplazamiento vertical otorgado por la leva.
48
Figura 32. Evaluación del parámetro de daño
De la figura 32 podemos obtener una disminución del parámetro de daño (rigidez)
de las probetas alrededor de un 15% aproximadamente.
Con respecto a los resultados de menor rugosidad (0.5µm), estos presentaron una
falla repentina en donde no hubo señales de una macro-grieta (figuras 33 – 35). La
escala del eje x para estas figuras esta en 140000 ciclos, para efectos de
comparación entre las diferentes deflexiones.
Figura 33. Pretensión 2mm (Probeta 1, rugosidad 0.5µm)
0.82
0.84
0.86
0.88
0.9
0.92
0.94
0.96
0.98
1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
T/T₀
N/N_f
Parametro de Daño (Rugosidad 4.5µm)
Probeta 2
Probeta 3
Probeta 1
49
Figura 34. Pretensión de 3.5mm (Probeta 2, rugosidad 0.5µm)
Figura 35. Pretensión de 5mm (Probeta 3, rugosidad 0.5µm)
En la figura 36 se observa el deterioro del parámetro de daño para el lote de
probetas manufacturadas con una menor rugosidad superficial.
50
Figura 36. Evaluación del parámetro de daño Rugosidad 0.5µm
Al evaluar el parámetro de daño de las probetas con menor rugosidad superficial
(figura 36), la disminución de la rigidez es menor a aquella presentada con el otro
tratamiento. Un decaimiento aproximadamente del 10%, comprueba que este
tratamiento disminuye la vida en fatiga de la junta.
Las probetas que fueron manufacturadas con menor rugosidad de nuevo
presentaron falla interlaminar, y las probetas manufacturadas con mayor rugosidad
presentaron falla por cohesión. Comparando las figuras 32 y 36, podemos observar
unos resultados muy parecidos aquellos presentados por las pruebas de tensión, en
donde las pruebas realizadas al lote de probetas de mayor rugosidad presentaron
unos resultados con menor variabilidad. Además, existe una diferencia a aquella
presentada por la figura 16, esto se puede atribuir a la capacidad de adquisición de
la interfase de ambos sensores de torque. La tendencia de la rigidez es a disminuir
como se observa en las figuras 32 y 36, esta reducción es acorde con algunos
resultados presentados en trabajos anteriores [4,16]. Una mayor capacidad de
adquisición de datos, además de un mayor número de probetas para las pruebas
generaría mejores resultados como aquellos presentados en la figura 16.
0.88
0.9
0.92
0.94
0.96
0.98
1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
T/T₀
N/N_f
Parametro de Daño (Rugosidad 0.5µm)
Probeta 1
Probeta 2
Probeta 3
51
Obtenidas las gráficas del parámetro de daño de las probetas, se construye la
grafica de deflexión inicial (Δd) contra ciclos para fractura. De esta forma se puede
observar con una mayor claridad los efectos del tratamiento superficial y la
pretensión en la vida de fatiga de las probetas. En la tabla 5, se encuentra
resumidos los resultados.
Tabla 5. Resultados pruebas de fatiga
Ciclos para Falla Ciclos para falla Deflexión Inicial (Rugosidad 4.5µ) (Rugosidad 0.5µ) (mm)
643891 136379 2 371584 72350 3.5 256717 44373 5
Figura 37. Gráfica Δd vs. N
De la figura 37, podemos observar que existe un mejor desempeño en fatiga de las
juntas adhesivas cuando la rugosidad de la superficie es mayor. Adicionalmente, la
52
pretensión inicial a la cual están sometidas las probetas tiene una influencia sobre la
el número de ciclos para fractura que resiste la probeta.
3.3 Resultados Shearografía
Se realizaron varias pruebas de shearografía a las probetas de acrílico, un esquema
de la prueba se puede ver en la figura 38. Debido a que el proceso mide
deformaciones fuera del plano, no es posible observar el campo de deformación en
el adhesivo. Por lo tanto, se mide el campo de deformación en el traslape utilizando
un tornillo como el elemento que proporciona una carga puntal en la sección del
traslape.
Figura 38. Pruebas de shearografía
Durante el proceso de deformación de la probeta se observó un patrón de franjas,
en la zona de medición. En la figura 39 se puede ver la secuencia de los resultados
obtenidos durante la prueba. La figura 39 a), presenta el patrón inicial (imagen de
referencia) de la probeta sin deformar, esta imagen se conoce como el patrón de
53
speckles. Las figuras 39 b) y 39 c), muestran el cambio presentado por cada
superficie (4.5µm y 0.5µm) una vez se haya aplicado una pequeña carga.
A pesar del inconveniente, la shearografía es un método muy eficaz para observar
el campo de deformación en una material o estructura, el cual se puede ver
claramente este campo en las líneas de contorno (fringe pattern) en la figura 39. El
análisis de estos resultados requiere una mayor capacitación con el software y el
manejo del mismo.
a) Imagen Referencia b) 0.5µm c) 4.5µm
Figura 39. Secuencia de resultados de shearografía en vivo (0% de ciclos)
Al analizar las franjas de deformación, estas no presentaron ningún patrón en el
software de análisis del shearografo. Se esperaba visualizar una gráfica con la
primera derivada del desplazamiento, en cambio la gráfica obtenida no tenía el
resultado que se esperaba (una clara visualización de la primera derivada del
desplazamiento figura 40).
Debido a los resultados obtenidos por la prueba de shearografía, no se pudo
determinar el campo de deformación para las diferentes etapas presentadas en el
diseño del experimento.
54
a) 0.5µm b) 4.5µm
Figura 40. Grafica resultados de deformación
55
4. Conclusiones y Recomendaciones
Los resultados experimentales obtenidos en la prueba de tensión muestran que los
tratamientos superficiales son de gran importancia al momento de someter las
juntas adhesivas a algún tipo de carga. El tipo de falla por cohesión en la superficie
más rugosa demuestra una mejora en el desempeño del mecanismo de adherencia
de la junta comparado con aquellas probetas que tuvieron un tratamiento superficial
distinto. Adicionalmente, la falla interlaminar (que se presentó en el tratamiento con
lija 1200) presenta una mayor variabilidad en los resultados, lo que dificulta la
exactitud con la que se puede predecir el momento de fractura.
El parámetro de daño (carga aplicada a través del tiempo) en las juntas adhesivas
cuando estas son sometidas a fatiga, presenta una evolución en el deterioro del
material en prueba. Así mismo, se pudo determinar que un deterioro de
aproximadamente un 15% puede resultar en la fractura de la junta adhesiva para
una rugosidad de 4.5µm. En cambio, para una rugosidad menor (0.5µm) este
deterioro es menor al 10%. Los resultados obtenidos en esta investigación
demostraron que el tratamiento dado a la superficie de los adherentes, aumenta
notablemente la vida en fatiga de la junta adhesiva.
La obtención de la gráfica Δd-N, muestra el comportamiento de la junta al ser
sometida a cargas cíclicas, en donde se demuestra la influencia del tratamiento
superficial al igual que la deflexión inicial que pueda existir. A mayor deflexión inicial
que pueda tener la junta, menor es el número de ciclos soportados hasta fractura.
El manejo de variables adicionales permitiría una mejor caracterización de las juntas
adhesivas. Así mismo, realizar los ensayos de fatiga con un mayor número de
probetas ampliaría el espectro de las curvas Δd-N.
La shearografía demostró ser un método de medición eficaz para ver la distribución
de deformaciones en una estructura. Se pudieron observar las imágenes de las
líneas de contorno (fringe pattern) en las probetas cuando se estaba haciendo un
análisis en vivo, sin embargo al intentar recolectar la información para el
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procesamiento de los datos no se puede ver el mismo patrón que se obtiene en el
análisis en vivo.
Recientemente la universidad adquirió un montaje capaz de medir deformación en el
plano, pero es necesario un mayor conocimiento del manejo del software para
obtener una medición del campo de deformación. Un adecuado montaje para las
pruebas de shearografía consiste en un buen método de anclaje (de esta forma se
evita una vibración relativa entre el shearografo y el objeto), al igual que un
adecuado entrenamiento en el manejo de software.
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5. Bibliografía
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6. Anexos
· Ficha Técnica Shearografo LIMESS ESPI-3D
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